電源完整性仿真讓電路板更完美

　　數字芯片要求有大的電流，這可能造成直流電源的供電問(wèn)題(參考文獻2)。FPGA和其它數字芯片都需要很多種電源電壓，因此，必須將電源層分割開(kāi)，以提供多個(gè)電壓軌。數字芯片還有幾百個(gè)管腳，需要數百只過(guò)孔，會(huì )覆蓋電源層和地層的廣大銅箔區域。必須確保在為這些層所選擇的銅箔上，電流密度保持低于某個(gè)合理值(圖5)。

　　高的直流電流也會(huì )造成熱問(wèn)題。銅的溫度系數為0.4%/°C，即溫度每升高25°C，電阻增加10%。這種電阻的增長(cháng)出現在沉重負載下，此時(shí)可靠性非常關(guān)鍵。電阻的增長(cháng)亦使溫度升高，減少了電路板上元器件的壽命。

　　一旦有了充足的銅箔提供直流負載，就要注意電源層的交流設計(圖6)。電源完整性仿真能夠檢查返回電流流經(jīng)電源層的位置。在運行時(shí)，一只數字芯片獲得的電流強度是不同的，而且以納秒為單位變化。電源系統必須有足夠低的交流阻抗，能隨電流而變化(表達式為di/dt，即電流導數/時(shí)間導數)，從而不致使芯片管腳的電源電壓發(fā)生大的變化。由于di/dt也會(huì )發(fā)射電磁能量，這些偏移可能造成EMI問(wèn)題。因此，信號完整性、電源完整性和EMI符合性都是相互關(guān)聯(lián)的。如果沒(méi)有仿真，你的設計就可能出現過(guò)孔間的串擾和其它似乎莫名其妙的問(wèn)題。

　　軟件選擇

　　一個(gè)電源網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際幾何尺寸對其性能非常重要，因此大多數軟件供應商都在自己的電源完整性工具中使用了場(chǎng)解算器技術(shù)(參考文獻3)。

　　這些工具應能給你一個(gè)快捷答案和精確的結果。RF-IC與系統設計者一般使用全波場(chǎng)解算器，解3D的Maxwell方程。不過(guò)，3D場(chǎng)解算器要花很長(cháng)時(shí)間才能得到結果，尤其是用于相對較大的物理項時(shí)，如PCB板。因此，電源完整性供應商在自己的電源完整性工具中設計了混合型解算器技術(shù)。在解算走線(xiàn)時(shí)，這些工具采用一種利用傳輸線(xiàn)理論快速技術(shù)的2D解算器。在仿真平面時(shí)，工具可以使用2D或2.5D的有限元技術(shù)。在某些情況下，軟件可以用一種集總參數元件的電容和電感模型，為過(guò)孔建模。要獲得更精確的結果，工具可對過(guò)孔采用一種全波3D解算器。

　　另外，還可以采用一種全波解算器去仿真3D結構的效果，如連接器管腳以及電源路徑中的其它機械器件。軟件供應商還在自己工具中置入了熱分析功能?？梢詥为毷褂盟?，或將熱量信息輸出給一個(gè)專(zhuān)用的熱分析工具，如Mentor Graphics公司的FloTherm，這是一個(gè)CFD(計算流體動(dòng)力學(xué))的3D仿真環(huán)境。Mentor公司的HyperLynx仿真工具可以做自己的熱分析，并將結果輸出給FloTherm，這樣就可以建立整個(gè)系統或一個(gè)機箱的熱性能模型。

　　Agilent公司重新發(fā)展了自己的ADS(先進(jìn)設計系統)Momentum產(chǎn)品，它能針對有極多過(guò)孔的電源層和地層，提供仿真結果。它還能用于功率層有少量走線(xiàn)的設計。MOM(矩量法)是針對多層結構的最快仿真方法，它能解算全3D場(chǎng)，包括Maxwell方程中的全部項。這種全波方案考慮了法拉第定律的高頻效應，以及Maxwell為Ampère方程增加的代換電流項(參考文獻4)。用MOM仿真大型層面非常耗時(shí)，因此Agilent公司發(fā)明了一些算法，可以減少獲得精確結果所需要的時(shí)間。Agilent公司高速數字產(chǎn)品擁有者Colin Warwick說(shuō)，工具采用了一種樹(shù)/協(xié)作樹(shù)(tree/co-tree)方法，可一直用到直流。

　　另外也可以對平面部件，采用 集總參數分析方法。NEC公司的PIStreamn軟件將平面建模成為集總參數的矩陣，使之適用于使用Spice引擎和其它集總參數技術(shù)的分析。對于一個(gè)平面，軟件會(huì )使用PEEC(部分元等效電路)技術(shù)，生成一個(gè)RLGC(電阻/電感/電導/電容)的等效物。軟件同時(shí)會(huì )為過(guò)孔和電源層與地層之間形成的空腔建立集總參數模型(圖7)。軟件還會(huì )采用一種串聯(lián)RLC(電阻/電感/電容)模型，為去耦電容建模，這個(gè)模型綜合考慮了電容器的寄生電阻與電容以及扇出走線(xiàn)和過(guò)孔的寄生電阻與電感。你可以通過(guò)建立仿真運行，快速完成單一板對的分析。當改變設置時(shí)，軟件將做一個(gè)考慮到全部相關(guān)板面的多層分析。

　　除了仿真成品板的物理結構以外，HyperLynx這類(lèi)軟件工具還能做電路板層和去耦結構的早期平面規劃。然后可以快速運行一個(gè)分析，從而獲得一些有關(guān)傳輸阻抗和其它變量的概念。Giga Hertz技術(shù)公司開(kāi)發(fā)了一種更快的Spice引擎，將其集成到NEC的PDN(電源分配網(wǎng)絡(luò ))Expert中。通過(guò)這些平面規劃工具，可以手動(dòng)概略描述出PCB和層面，在設計早期優(yōu)化電容。這樣，就可以獲得有關(guān)板面形狀、尺寸、層疊，以及電容數的概念。

　　一些PC界的電源完整性軟件供應商(如Mentor Graphics與Cadence)將自己的工具整合到了設計流中。盡管這并不能消除由一家供應商提供全部工具的擔心，但電源完整性仿真使用了PCB的一個(gè)物理表述，成為一個(gè)幾何模型。Ansys與Sigrity公司都能接受來(lái)自Cadence的Allegro、Mentor Graphics的PADS，以及Zuken和Altium等公司工具的輸入。Agilent公司的電源完整性工具源于其在RF設計方面的專(zhuān)業(yè)知識。除了與ADS設計工具合用以外，該公司的EMPro軟件還可以輸入來(lái)自Cadence的Allegro的PCB數據?？蛻?hù)經(jīng)常會(huì )將NEC的PIStream與Zuken的PCB工具一起使用，但該軟件也可以接受Cadence的Allegro和其它PCB軟件的輸入數據。

　　雖然有些工程師更喜歡自己的電路板流程中的整合工具，但從Ansys這種仿真專(zhuān)業(yè)公司獲得工具也有一些優(yōu)點(diǎn)。例如，該公司的SI(信號完整性)Wave工具類(lèi)似于Mentro Graphics公司的HyperLynx，而PIAdvisor工具可以幫助你深入探究電源完整性問(wèn)題。該工具擁有針對過(guò)孔仿真的3D解算器。另外，還可以使用Ansys公司的HFSS(高頻仿真器系統)工具，做物理問(wèn)題的全3D仿真，如連接器和其它3D幾何形狀。一些客戶(hù)會(huì )將Ansys電源完整性工具和信號完整性工具的輸出結果輸給自己使用的同一個(gè)HFSS工具，對機箱建模。這樣，他們就可以評估產(chǎn)品的EMI。CST(計算機仿真技術(shù))的EM Studio軟件可接受Gerber PCB文件的輸入，并可以計算3D IR(電流/電阻)降。

　　你所選擇的軟件必須擁有所需要的能力。很多公司希望你分開(kāi)來(lái)解決信號完整性和電源完整性問(wèn)題，他們假定，一旦你充分減少了電源阻抗，就會(huì )關(guān)注信號完整性。這一方案的問(wèn)題是，電源噪聲與信號噪聲是交互作用的。為解決這個(gè)問(wèn)題，Sigrity公司允許你在信號完整性上仿真電源噪聲的效果(圖8)。CST公司的Microwave Studio也可以分析從緊密靠近的電源層傳播的噪聲。

　　高價(jià)問(wèn)題

　　電源完整性軟件的價(jià)格經(jīng)常會(huì )讓沒(méi)有經(jīng)驗的工程師目瞪口呆。一個(gè)簡(jiǎn)單的DC仿真器就可能要15000美元，而一個(gè)包含電源完整性、信號完整性和熱解算器的完整系統，可能要價(jià)75000美元。這個(gè)數字對軟件來(lái)說(shuō)似乎很高，不過(guò)應該考慮到電源完整性失敗的成本。一塊復雜電路板的重制，在制作和工程方面可能要花5000美元或1萬(wàn)美元，而未及時(shí)上市的成本則達100萬(wàn)美元。另外一個(gè)考慮是系統的BOM(物料單)成本。如果電源完整性軟件可以在電容上節省50美分，則對一個(gè)大批量產(chǎn)品，就可能在幾個(gè)月內掙回電源完整性軟件的費用。

　　Ansys公司的Patel發(fā)現，過(guò)去做電源完整性、信號完整性和EMI分析的三名工程師是互相隔離的?，F在，雖然仍可能是一名工程師做EMI分析，但這個(gè)人先要與一個(gè)做電源完整性和信號完整性分析的人一起工作，他們經(jīng)常會(huì )共享同一種軟件。Sigrity公司的Brim指出，IBIS

　　(輸入/輸出緩沖規范)5.0有電源-地

　　和信號數據，使仿真軟件可以將5.0模型電源腳的噪聲關(guān)聯(lián)到通過(guò)輸出泄漏的噪聲，類(lèi)似于模擬器件中的PSRR規格。所有這些功能聯(lián)合成一種效果，即讓你擁有一個(gè)設計良好的可靠產(chǎn)品(圖9)。

　　如果你了解并知道如何使用這些昂貴的工具，則作為一名工程師的身份就會(huì )倍增。對于喜歡CAD(計算機輔助設計)軟件的工程師來(lái)說(shuō)，這些工具的學(xué)習并不難。Mentor Graphics公司在公司的很多銷(xiāo)售場(chǎng)所 都提供HyperLynx的免費學(xué)習課程。如果你有其它類(lèi)型仿真器的經(jīng)驗，那么學(xué)習電源完整性工具就基本沒(méi)問(wèn)題。需要學(xué)習和理解的是頻域的概念和專(zhuān)門(mén)術(shù)語(yǔ)，如RF設計者那樣。如果在現有時(shí)域經(jīng)驗上增加了這些知識，你就能接受最嚴格的設計挑戰，成為一個(gè)贏(yíng)家。